Круговорот воды на земном шаре

Круговорот воды на земном шаре — замечательная особенность гидросферы Земли и природных условий планеты в целом. Круговорот воды создает основной механизм перераспределения на Земле вещества и энергии, объединяет в единое целое не только водные объекты, но и разные части планеты. Круговорот воды на Земле — основа возобновляемости водных ресурсов.

В последнее время в России вместо термина «круговорот воды» стали применять широко распространенный в западных странах термин «гидрологический цикл». Будем считать эти два понятия синонимами.

В круговороте воды на земном шаре (глобальном гидрологическом цикле) проявляется единство природных вод Земли и их связь с атмосферой, литосферой, биосферой. В.И. Вернадский писал: «Любое проявление природной воды — глетчерный лед, безмерный океан, река, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник — составляют единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связаны между собой, с земной атмосферой и с живым веществом»[6].

Физической причиной круговорота воды на земном шаре служат солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия, как было показано выше (разд. 3.3),— это причина нагревания и последующего испарения воды. Неравномерное распределение по Земле солнечной энергии приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, вызывает воздушные потоки — ветры, переносящие испарившуюся влагу (водяной пар) и создающие ветровые течения в океане. Неравномерное распределение солнечной энергии приводит также к неравномерному распределению плотности воды в океане и, как следствие, к возникновению плотностных течений.

Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а также все поверхностные и подземные воды стекать сначала к дренирующим местность рекам, а в конечном счете к океану. Естественно, что стекание вод под действием силы тяжести объясняется наклоном поверхности Земли и слоев в земной коре, что, в свою очередь, создается тектоническими и геоморфологическими процессами.

В круговороте воды на земном шаре проявляются закономерности сохранения вещества и водного баланса (табл. 3.4). В таблице приведены годовые величины переноса вод в объемных единицах (км³), а также выраженные в миллиметрах слоя. В уравнениях водного баланса Земли в целом и океана и суши, в частности, не учитывались ничтожные объемы водообмена Земли с космическим пространством, а также затраты воды в процессе фотосинтеза и несущественное поступление воды вследствие дегазации мантии (см. разд. 3.1). Эти величины заведомо во много раз меньше возможных ошибок расчета других составляющих мирового водного баланса. Заметим попутно, что наибольшую точность имеют данные об атмосферных осадках на территории суши, о речном стоке, подтверждаемые прямыми наблюдениями. Наименьшую точность имеют данные об испарении и осадках в Мировом океане.

Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл). Вглобальном круговороте воды (рис. 3.3) выделяют два звена: океаническое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана — перенос водяного пара над океаном — осадки на поверхность океана — океанические течения — испарение и т.д. (А на рис. 3.3); материковое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши — перенос водяного пара — осадки на поверхность суши — поверхностный и подземный сток — испарение и т.д. (Б и Б' на рис. 3.3). Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и, наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.

С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км³, возвращается в океан в виде атмосферных осадков 458 тыс. км³. Испаряется с океана, таким образом, больше, чем возвращается с осадками. Разность в 47 тыс. км³ составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара. Таким образом, в океаническое звено круговорота воды на Земле вовлечено 458 тыс. км³ воды в год.

На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс. км³ атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с поверхности суши (72 тыс. км³), и влаги, принесенной с океана (47 тыс. км³). Таким образом, в материковом звене круговорота воды на Земле принимает участие 72 тыс. км³ в год. Важно отметить, что из 72 тыс. км³ испаряющейся ежегодно с поверхности суши воды 30 тыс. км³ (42 %) приходится на транспирацию растительным покровом.

Водообмен между сушей и океаном составляет, как уже указывалось, 47 тыс. км³ в год. Переносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по величине материковым стоком. Материковый сток (47 тыс. км³ воды в год) слагается из поверхностного (44,7 тыс. км³ в год) и подземного, не дренируемого реками (2,2 тыс. км³ в год). Поверхностный сток, в свою очередь, включает водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс. км³ в год), и ледниковый сток (3,0 тыс. км³ в год). Последний представляет собой разгрузку покровных ледников в виде откалывающихся от него айсбергов и поступление непосредственно в океан талой воды из покровных ледников. Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида (2,3 тыс. км³ в год).

Таблица 3.4. Средний годовой водный баланс Земли

(по монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли», 1974)

Часть Земли	Пло-щадь, млн км2	Осадки х	Испарение z	Сток	Уравнение водного баланса
Речной ур	Леднико-вый ул	весь поверх-ностный у = ур + ул	подземный w	Суммарный (y+w)
тыс. км3	мм	тыс. км3	мм
тыс. км3	мм	тыс. км3	мм	тыс. км3	мм	тыс. км3	мм	тыс. км3	мм
Весь земной шар						-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	x = z
Мировой океан						41,7		3,0		44,7		2,2		47,0		xок + y+w = zок
Суша в том числе: области внеш- него стока						41,7     41,7		3,0     3,0		44,7     44,7		2,2     2,2		47,0     47,0		xc=y + zc + w x’c = y + z’c + w
области внут- реннего стока						-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	x’’c=zc

Примечание. В отдельных случаях цифры округлены.

Рис. 3.3. Схема глобального круговорота воды:

А — океаническое звено, Б, Б' — материковое звено с поверхностной Б и подземной Б' частями: I—океан (z_0K — испарение, x_ok — осадки), II—области внешнего стока суши (z_c' — испарение, х_с' — осадки, у' — поверхностный сток, w' — подземный сток), III— области внутреннего стока суши (z_c'' — испарение, х_c" — осадки, у' —поверхностный сток, w'— подземный сток), r — перенос влаги в атмосфере, р — океанические течения, и и и' — инфильтрация, подъем и испарение вод в грунтах

Рассмотренная выше схема круговорота воды на земном шаре в действительности более сложна. Во-первых, перенос влаги с океана на сушу в размере 47 тыс. км³ в год практически есть результирующий влагоперенос через границу океан — суша. По данным аэро­логических измерений установлено, что полный перенос влаги с океана на сушу равен 101 тыс. км³ в год. В обратном направлении — с суши на океан — переносится около 54 тыс. км³ в год. Полагают, что из этих 54 тыс. км³ воды одна часть (19 тыс. км³) — результат испарения океанической воды, выпавшей над сушей в виде осадков, а другая — 35 тыс. км³ — та же океаническая вода, прошедшая над сушей «транзитом».

Во-вторых, при исследовании гидрологических процессов на суше очень важно учитывать, что суша подразделяется на две части — области внешнего стока, откуда выпавшие атмосферные осадки, так или иначе, поступают в Мировой океан, и области внутреннего стока (бессточные области), не дающие стока в Мировой океан. На долю областей внешнего стока приходится 80 % площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) — 20%.

Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона: первый — со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны и второй — со стоком рек в Тихий и Индийский океаны. Главный водораздел проходит по Южной и Северной Америке от мыса Горн по Андам, Скалистым горам до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направлении, а затем продолжается вдоль восточной окраины Африки к ее южной оконечности. К бассейну Северного Ледовитого океана относится 15% всей площади суши, Атлантического — 34, Тихого — 17, Индийского — 14%.

К наиболее обширным областям внутреннего стока (бессточным областям) относятся: в Европе — водосборный бассейн Каспийского моря; в Азии — обширная Туранская низменность, включающая водосборные бассейны Аральского моря и оз. Балхаш, пустыни Алашань, Гоби, Такла-Макан, часть Аравийского полуострова и др.; в Африке — пустыни Сахара, Ливийская, Нубийская, Калахари, водосборы озер Чад, Рудольф и др.; в Северной Америке — пустыня Большого Бассейна, включая район Большого Соленого озера и др.; в Южной Америке — водосборы озер Титикака — Поопо, полупустынные плато Патагонии и др.; в Австралии — западная и центральная части материка (более 50 % всей его пло­щади).

В областях внешнего стока ежегодно выпадает 110 тыс. км³ осадков, а испаряется 63 тыс. км³. Разница (47 тыс. км³) и составляет материковый сток в океан. В областях внутреннего стока выпадает в общей сложности 9 тыс. км³ осадков в год, и весь этот объем воды в конечном счете испаряется.

Все крупнейшие реки мира дренируют области внешнего стока. Но и в областях внутреннего стока (бессточных областях) имеются довольно крупные реки с суммарным стоком около 1 тыс. км³ в год. Среди этих рек Волга, Амударья, Сырдарья, Или. На долю Волги приходится около 1/4 стока всех рек бессточных областей. Реки в бессточных областях несут свои воды в замкнутые бессточные озера, где эти воды и испаряются.

Приведенные в табл. 3.4 данные отражают водный баланс Земли и отдельных частей гидросферы по состоянию на 70-е годы прошлого века. Очевидно, что одновременно с происходящим в настоящее время перераспределением объемов вод между объектами гидросферы должны несколько измениться и составляющие водного баланса. К сожалению, новых детальных исследований в этой области пока не проведено. По некоторым данным (Р.К. Клиге, 2000), в современных условиях ряд показателей водного баланса Земли, приведенных в табл. 3.4, немного изменился. Несколько возросли речной (на 0,5 тыс. км³/год), ледниковый (на 0,8 тыс. км³/год) и подземный (на 0,5 тыс. км³/год) стоки; увеличилось испарение с поверхности океана (на 2 тыс. км³/год) и уменьшилось испарение с поверхности суши (на 2 км³/щд); осадки на поверхность океана и суши практически не изменились.

Внутриматериковый влагооборот. Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и «внутренних» (или местных), сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.

Рассмотрим его несколько подробнее. Пусть составляющие влагооборота над ограниченным участком суши за интервал времени Dt будут заданы следующими величинами (рис. 3.4). С атмосферным воздухом поступает извне влага объемом А. Величина испарения с поверхности земли равна z. Осадки могут быть представлены как x = x_A + x_z, где х_А — внешние осадки из водяного пара, пришедшего извне, x_z — внутренние (местные) осадки. Часть осадков переходит в воды поверхностного у и подземного w стока.

За пределы участка будет вынесен водяной пар, количество которого С включает как часть влаги, пришедшей извне, так и часть испарившейся в пределах участка. Величина С может быть выражена тремя способами:

C=A – x+z, (3.1)

C=(A–x_A) + (z–x_z), (3.2)

C=A – (y+w). (3.3)

Все три уравнения тождественны. Первое и второе тождественны, так как x = x_A + x_Z, а первое и третье — поскольку должно выполняться уравнение водного баланса для участка суши:

x = z + y+w. (3.4)

Важной характеристикой внутриматерикового влагооборота служит отношение внешних и внутренних (местных) осадков x_A/x_z или отношение всех осадков к внешним осадкам х/х_А. Последнюю величину называют коэффициентом влагооборота: К_вл = х/х_А = (х_А + x_z)/x_A = 1+x_z/x_A. По О.А. Дроздову,

K_вл=1+ _ZL/(2ua)_,(3.5)

где z — испарение с рассматриваемого участка суши; L — длина участка; и — средняя скорость sвоздушного потока; а — среднее влагосодержание воздуха на наветренной стороне участка. Из уравнения (3.5) следует, что интенсивность внутриматерикового влагооборота тем больше, чем больше размер территории и больше испарение, и тем меньше, чем больше влагосодержание приходящего извне воздуха. Для небольших по площади участков суши К_влприближается к 1. Величина К_влсвидетельствует о возможностях влагообеспечения территории за счет местных ресурсов воды. В засушливых районах К_влменьше, в увлажненных — больше. В среднем для частей света получены следующие величины К_вл:Европа— 1,42; Азия—1,62; Африка—1,42; Северная Америка — 1,54; Южная Америка — 1,68; Австралия — 1,14.

Рис. 3.4. Схема внутриматерикового влагооборота

Водообмен. Впределах каждого водного объекта происходит обмен вод. Его интенсивность весьма приближенно может быть охарактеризована с помощью коэффициента условного водообмена К_в, представляющего собой отношение приходных или расходных членов уравнения водного баланса к среднему объему вод в водном объекте V. В наиболее общем виде это отношение равно

, (3.6)

где Y₁ — приток поверхностных вод к водному объекту; W₁— приток подземных вод к водному объекту; X— осадки на его поверх­ность; Y₂ — отток поверхностных вод из водного объекта; W₂— фильтрация вод из водного объекта; Z — испарение с его поверхности. Оба выражения для К_вв формуле (3.5) тождественны, так как при неизменном объеме воды в объекте приходная часть уравнения водного баланса объекта (Х+ Y₁ + W₁)должна быть равна расходной части (Z+ Y₂ + W₂)(см. разд. 2.2). Все характеристики, кроме V, измеряются в м³ или км³ в год, V— в м³ или км³. При вычислении К_в для водных объектов некоторых типов в формуле (3.6) могут отсутствовать отдельные члены: например, для ледников Y₁, W₁, W₂практически равны нулю, для океана Y₂ = 0, W₂~ 0.

Слово «условный» введено в понятие для интенсивности водообмена в водном объекте из-за того, что в действительности быстрой и полной замены «старых» вод «новыми» не происходит (не все части водного объекта в равной мере участвуют в обновлении вод). Поэтому коэффициент водообмена весьма приближенно (условно) характеризует действительное обновление вод.

Таким образом, коэффициент условного водообмена К_впоказывает, сколько раз в году сменяются воды в водном объекте (при К_в> 1) или какая часть объема воды сменяется в течение года (при К_в< 1).

Величина, обратная коэффициенту условного водообмена, называется периодом условного водообмена или периодом условного возобновления вод:

t_в=1/К_в. (3.7)

Величина t_в характеризует время, в течение которого произойдет полная замена вод в водном объекте при принятом выше допущении; t_в измеряют в годах, если К_в>1, и в долях года (ее можно выразить в сутках), если К_в< 1. Так, например, в процессе ежегодного водообмена с атмосферой и сушей принимает участие 505 тыс. км³ океанических вод, т.е. всего 0,04% их общего объема. Период условного возобновления вод Мирового океана составит: 1338´10⁶/505´10³ = 2650 лет. Годовой сток всех рек (41,7 тыс. км³) почти в 20 раз больше объема воды, единовременно в них находящегося (2,12 тыс. км³). Поэтому воды в реках должны возобнов­ляться в среднем за 2120/41700 = 0,051 года, или 19 дней. Заметим, что сооружение водохранилищ на реках привело к увеличению объема воды, находящейся в речной сети, и, соответственно, к возрастанию периода условного водообмена. Аналогичные данные о периодах условного возобновления вод для других водных объектов, по К.П. Воскресенскому, приведены в табл. 3.1.

Влияние антропогенного фактора на круговорот воды.Важная и новая задача современной гидрологии — это оценка влияния хозяйственной деятельности на процессы круговорота воды и водные ресурсы.

В минувшем столетии существенно возросли объемы безвозвратного водопотребления. Однако заметного влияния на круговорот воды в масштабах всей Земли или даже континентов и крупных регионов эти объемы воды, по-видимому, не оказали, так как изъятие воды из водных объектов должно было с неизбежностью привести к увеличению испарения и внутриматерикового влагообмена и, следовательно, атмосферных осадков, и хотя бы частично компенсировать потери вод. Поэтому применительно к континентам, а тем более к планете в целом термин «безвозвратные потери» может использоваться лишь условно. Конечно, безвозвратное (в традиционно понимаемом смысле) водопотребление существенно влияет на водные ресурсы небольших регионов, отдельных речных бассейнов и водоемов. Так, вследствие изъятия воды на орошение существенно сократился сток многих рек Индии, уменьшился сток в устьях рек Днепра и особенно Амударьи, Сырдарьи, Терека.

Единственным антропогенным фактором, действительно оказавшим влияние на круговорот воды и приведшим к изъятию из этого круговорота некоторого объема воды, было накопление воды в водохранилищах. Создание водохранилищ, как показано в табл. 3.2, привело к уменьшению притока вод в океан и к некоторой задержке наблюдавшегося повышения его уровня.

Глобальное потепление климата, перераспределение вод между отдельными объектами гидросферы и повышение уровня Мирового океана, о чем речь шла в разд. 3.2, как полагает ряд ученых, также имеют в основном антропогенные причины.